Руководство пользователя программы simlife (искусственная жизнь) для ibm-совместимых компьютеров

Вид материала

Подобный материал:

1 2 3 4 5

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ №5

изучение структуры популяций

Структура популяции проявляется в определенном количественном соотношении особей разного возраста, пола, генотипа. Внутри популяции можно выделить более мелкие подразделения: колонии, стада, стаи, парцеллы (близко расположенные группы растений одного вида), семьи. Понятие семьи предполагает разделение особей по половым признакам. Существующие в живой природе процессы, механизмы и структуры, связанные с полом, чрезвычайно разнообразны и сложны. Высокоорганизованные животные чаще делятся на два пола. Причем для большинства видов количество мужских и женских особей одинаково, что можно объяснить следующим образом. Допустим, у некоторого вида генетически заложено рождение 90% самцов и 10% самок. При спаривании двух разнополых особей у потомства закладываются гены, обеспечивающие рождение самок в количестве, равном среднему арифметическому соответствующих значений самца и самки плюс-минус некоторые мутационные изменения. Количество спариваний пропорционально числу встреч разнополых особей и может быть описано выражением:

(1);

где

– коэффициент пропорциональности, N_m – число особей мужского пола, N – общее число особей в популяции. Найдем значение N_m, при котором количество спариваний М максимально. Для этого нужно взять производную от (1) по N_m и приравнять ее к нулю. Получим число мужских особей:

(2).

Итак, число самцов равно числу самок. Поэтому всегда имеется тенденция к выравниванию численности мужских и женских особей. При рассмотрении половых структур популяций следует иметь в виду, что некоторые организмы могут иметь более 2 полов. Например, хламидомонады имеют 7 полов.

Важной характеристикой популяции является ее деление по возрастному признаку. Возрастная структура популяции зависит от продолжительности жизни составляющих ее особей. Рассмотрим возможные варианты. Для простоты будем считать, что в процессе рождения и смерти особей численность популяции остается неизменной. В простейшем случае у популяции отсутствуют лимитирующие факторы и гибель особей происходит только от старости при достижении ими биологического возрастного предела Т. При этом доля смертей S особей популяции в зависимости от их возраста t описывается выражением:

(3);

где 1(t) = 0 при t < 0; 1(t) = 1/2 при t = 0; 1(t) = 1 при t > 0. Учитывая, что к возрасту Т все особи должны умереть, доля смертей S подчиняется условию:

(4).

Возрастная структура популяции, или доля особей, доживших до возраста t, определяется условием:

(5).

Для нашего простейшего случая:

(6).

Функции S₁(t) и N₁(t) изображены графиками 1 на рис.4-1 и 4-2 соответственно. В случае гибели организмов от случайных различных причин, когда смертность не зависит от возраста, графики смертей S и численности N особей популяции имеют вид прямых 2 (рис.5-1 и 5-2 соответственно). В реальной жизни наиболее уязвимы для лимитирующих факторов молодые и старые организмы, что находит отражение в форме кривых 3 рис.5-1 и 5-2.

Р

ис. 5-1. Зависимость доли смертей S особей популяции от их возраста t.

Рис.5-2. Зависимость доли численности N особей популяции от их возраста t.

П

ричем для особей, не заботящихся о своем потомстве (растений, рыб, насекомых и т.д.), характерна высокая плодовитость. При этом возрастная структура популяции представлена кривой 1 на рис.5-3.

Рис. 5-3. Кривые выживания для: 1 – растений, рыб, насекомых; 2 – травоядных, мелких хищников; 3 – крупных млекопитающих и человека.

У более высокоорганизованных видов снижается смертность молодняка и особей зрелого возраста, уменьшается плодовитость, растет продолжительность жизни. Для таких видов, как это видно из кривой 2 рис.5-3, возрастная структура популяции более равномерна, а кривая зависимости числа особей от их возраста имеет большие числовые значения. Для человека кривая 3 рис.5-3 выпуклая. Кривые 1, 2, 3 называются кривыми выживания вида. Кривые выживания индивидуальны для каждого вида растений или животных. Предлагается провести компьютерный эксперимент, при котором мир засеян кукурузой и в нем обитает питающееся ею животное рок-самец. У них на генетическом уровне заложено 90% рождения самок.

Цель задания: Исследование половой и возрастной структуры популяций. Компьютерное моделирование структуры популяций животных и растений. Построение графиков, определение констант.

Порядок выполнения задания.

Запустить программу Искусственная жизнь в окне Новая игра (рис.2), выбрать Battle of the Sexes (Битва полов) и нажать кнопку Play Scenario (Играть по сценарию).
Установить автоматическую остановку программы через 50 лет. Для этого в меню Simulation (Моделирование), выбрать команду Technical (Технический), а затем Run Control (Автоматическая пауза). Установить счетчик в окне Pause simulation (Моделирование паузы) на 50, затем нажать кнопки Years (Годы) и Make It So (Продолжить).
Для получения аналитической информации в меню Windows (Окна) Главного меню выбрать команду Census (Учет), затем Graphs (Диаграммы). Окно Graphs (Диаграммы) позволяет выводить одновременно 4 графика, характеризующих данную популяцию. В верхней правой части окна выбрать красным цветом популяцию Dog-Cow of Doom (Рок-самец) и характеристику Females % (Жен. пол %); зеленым цветом – Dog-Cow of Doom (Рок-самец), Age % of Max (Возраст % от максимума); синим – Super Corn (Кукуруза), Age % of Max (Возраст % от максимума). В левой части окна под заголовком Time Scale (Масштаб времени) 50 нажать кнопку Years (Годы).
Запустить программу на выполнение кнопкой Pause (Пауза) (рис.5). Через заданное время выполнение программы остановится и появится сообщение о причине остановки. Нужно нажать клавишу Enter.
Определить половую структуру популяции. Для этого по графику красного цвета окна Graphs (Диаграммы) с интервалом 10 лет определить 6 значений процентного содержания особей женского пола внутри популяции Dog-Cow of Doom (Рок-самец). Вычислить среднее значение данной величины за 50 лет. Перерисовать из окна Graphs (Диаграммы) график процентного содержания особей женского пола за 50 лет.
Определить возрастную структуру популяции. Для этого за последние 5 лет по графикам зеленого и синего цветов вычислить средний возраст популяций Dog-Cow of Doom (Рок-самец) и Super Corn (Кукуруза).

В общем случае доля S смертей особей в зависимости от времени t может быть аппроксимирована полиномом второй степени:

(7),

где С₁ определяет долю смертей по причинам, зависящим от возраста; С₂ определяет возраст наибольшего расцвета сил (наименьшей смертности); С₃ определяет долю смертей по причинам, не зависящим от возраста. Используя (6), определим средний возраст особей:

(8).

Для нахождения величины С₃ нужно иметь информацию о причине гибели животных. Получить данную информацию можно, выбрав в меню Windows (Окна) команду Census (Учет), и затем Mortality (Смертность). В данном окне приведены гистограммы шести причин гибели выбранного организма за 5 лет с интервалом в 1 год. Для растений величина С₃ определяется выражением:

(9).

Для животных при отсутствии хищников:

(10),

где Д₁, Д₂, Д₃ – суммы пяти столбиков, выраженные в процентах, доли организмов, погибших от случайных причин, съеденных и умерших от болезней соответственно. После определения С₃ будем иметь два неизвестных – С₁ и С₂. Воспользуемся (4) и (7). В результате получим:

(11).

Подставив (11) в (8), получим:

(12).

Приняв биологический возрастной предел Т = 2В из (12) с учетом (9) и (10) найдем С₂, а затем из (11) – С₃. По результатам расчетов для популяций Dog-Cow of Doom (Рок-самец) и Super Corn (Кукуруза) построить графики зависимости доли численности N особей от их возраста t. Результаты экспериментов, расчетов, графики и выводы о половой и возрастной структуре популяций представить в виде письменного отчета.

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ №6

Экологические кривые

Для жизнедеятельности любого организма необходим определенный набор экологических факторов, имеющих численные значения в требуемом диапазоне. Рассмотрим воздействие какого-либо фактора на организм. В качестве организма удобнее выбрать растение и работать с фактором увлажнение из-за легкости его дозировки. Для эксперимента возьмем несколько популяций растений одного вида и поместим их в одинаковые природные условия, но обеспечим разными количествами влаги. При этом напряженность экологического фактора будет возрастать от сухости до переувлажнения. О комфортности жизни популяции можно судить по изменению ее численности. Этот опыт необходимо провести на протяжении жизни нескольких поколений организмов.

Р

езультаты эксперимента в виде зависимости числа особей популяции от интенсивности полива растений изображены на графике (рис.6-1).

Рис. 6-1 Экологическая кривая

Таким образом, получим экологическую кривую. Ее можно разбить на несколько зон. Нейтральная часть кривой соответствует наибольшему числу особей популяции. По-видимому, влажность была наиболее благоприятной для данной популяции. Этот отрезок экологической кривой называют зоной оптимума. По обе стороны от зоны оптимума растения чувствуют себя намного хуже, но еще достаточно хорошо для нормального развития. Эти отрезки экологической кривой называют зонами нормы. И, наконец, крайние отрезки экологической кривой соответствуют угнетенному состоянию растений. При таких засушливых или переувлажненных условиях растения не могут нормально развиваться. Отрезки экологической кривой, говорящие о неблагоприятных для организма значениях экологического фактора, называют пессимумами. Также распространен термин пессимальные значения экологического фактора. Аналогичные экологические кривые можно построить для любого экологического фактора. Причем в реальной жизни форма кривой, представленной на рисунке 5-1, часто не соблюдается: один или оба пессимума могут отсутствовать, кривая может иметь два оптимума и так далее. Например, сосна наиболее часто растет либо на сухих и бедных песчаных почвах, либо на верховых болотах. Ее отсутствие в наиболее благоприятных условиях объясняется вытеснением путем затемнения данного вида другими растениями, то есть межвидовой конкуренцией.

Цель задания: Исследование влияния экологического фактора влажности на численность популяции растений. Компьютерное моделирование закона Либиха-Шелфорда. Построение графиков и определение величин толерантности, зон оптимума и пессимума из графиков.

Таблица 6-1.

№	Fennel (Укроп)	Lichen (Лишайник)	Maize (Маис)	Wheatgrass (Пырей)	Willow (Ива)	Cottonwood (Тополь)	Sagebrush (Полынь)
1						
2			
3							
4				
5							
6						
7						
8				
9							
10						
11						
12							
13							
14					
15						

Порядок выполнения задания.

Запустить программу Искусственная жизнь в окне Новая игра (рис.2), выбрать Experimental Mode (Режим эксперимента) и нажать кнопку Play Scenario (Играть по сценарию). После появления окна Map of World (Карта мира) и завершения создания мира при необходимости остановить время в мире кнопкой Pause (Пауза) (рис.6).
Вызвать окно World Design (Проект мира) с помощью кнопки Build World (Cоздание мира) на пульте управления окна карта мира. В этом окне установить следующие параметры: World Size – Small (размер мира – малый); отсутствие в мире (0%) Toxins (токсинов), Mutagens (мутагенов), Food Sources (источников пищи), Barriers (барьеров); Mountains (горы) - 25% от максимальной величины; средние значения (50%) Regional Weather Variation (изменчивости климата), World Average Temp. (средней температуры), Rivers & Lakes (рек и озер). Затем нажать кнопку Make It So (Продолжить).
Активизировать окно The Climate Lab (Лаборатория климата) с помощью кнопки пульта управления (рис.5). Движки Day Length Variation (Длина дня), Rainfall Variation (Осадки), Temperature Variation (Температура), регулирующие амплитуду колебаний данных экологических факторов, установить на средние значения, а их Peak (максимальные величины) – на Summer (лето).
Для обеспечения неизменности мира в ходе эксперимента выключить генератор бедствий – последняя команда меню Disasters (Ббедствия). Исключение эволюции организмов достигается запрещением их мутаций. Для этого следует выбрать в меню Simulation (Моделирование), команду Technical (Технический), затем Change Physics (Изменить физику). В открывшемся окне необходимо установить Mutation rate – zero (Мутацию на ноль); Lifespan - medium (Длина жизни – средняя); Plant limit – unlimited (число растений – неограниченное); Day length – 32 ticks (Длину дня - 32 такта), Year length – 16 days (Длину года - 16 дней). После этого установить минимальные изменения Soil & Climate (почвы и климата) с помощью движков и нажать кнопку Make It So (Продолжить).
Фиксированное время эксперимента достигается при помощи Run Control (Автоматическая пауза). Чтобы воспользоваться ею, необходимо выбрать в меню Simulation (Моделирование), команду Technical (Технический), затем – Run Control (Автоматическая пауза). В появившемся окне установить число 5, затем нажать кнопки Years (Годы) и Make It So (Продолжить). Выполнение программы будет останавливаться каждые 5 лет.

На этом подготовительная работа завершается и начинается эксперимент.

6. Для того чтобы изменить влажность в мире, необходимо нажать кнопку Build World (Создание мира) на пульте управления (рис.3). В активизированном окне World Design (Проект мира) установить минимальную World Average Moisture (влажность) 0% и нажать кнопку Make It So (Продолжить). На вопрос о сохранении изменений в файле ответить No (Нет).

7. Произвести засев растений исследуемого вида (примеры вариантов в таблице 5-1). Для этого необходимо нажать кнопку Populate (Заселение) на пульте управления (рис.3). Нажать кнопку Selected Species (Выбранные виды), передвинуть курсор мыши на требуемое растение. Картинки растений с их названиями представлены на рис.7. Отпустив кнопку мыши, произведите выбор растения. Установить Number (Счетчик семян) на 100. Кнопкой What to Do (Что делать) выберите Scattered (Разбросать), кнопкой Where (Где) – On Land (На суше). Выбрав и установив все необходимые параметры, нажмите кнопку Make It So (Продолжить).

8. Индикация хода и результатов эксперимента осуществляется выбором окна Population (Популяция) командой Census (Учет) в меню Windows (Окна) Главного меню. В окне Population (Популяция) следует нажать кнопку All Plants (Все растения) для того, чтобы наблюдать численность популяции выбранного вида.

9. Запустить выполнение программы кнопкой Pause (Пауза) (рис.5). Чтобы ускорить процесс отсчета времени в меню Speed (Скорость) выберите команду Ultra (Очень быстро). Через 5 лет компьютерного времени ход жизни в мире автоматически останавливается и появляется сообщение об этом. Чтобы избавится от сообщения, нажмите кнопку Enter. Запишите себе в отчет информацию о численности популяции растений. Закройте окно Population (Популяция) кнопкой в его верхнем левом углу.

10. Измените влажность в мире на 20% с помощью действий, описанных в пункте 6. Нажать кнопку Make It So (Продолжить). Если влажность была установлена на 100%, следует перейти к выполнению пункта 11. На вопрос о сохранении ответить No (Нет), на предложение программы уничтожить все живые организмы в мире ответить Yes (Да). Затем перейти к выполнению пунктов 7, 8 и 9, пока влажность не станет равной 100%.

11. Если исследован только один вид растений, то для второго вида выполнить все действия, начиная с пункта 6. Если исследованы оба вида, то для завершения эксперимента и написания отчета необходимо выбрать в меню File (Файл) команду Quit (Выход). Построить экологические кривые и произвести их анализ. Отчет предъявить преподавателю.

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ №7

Blog

Руководство пользователя программы simlife (искусственная жизнь) для ibm-совместимых компьютеров